Large-scale superconducting spintronics quantum computing circuits toward the realization of quantum supremacy

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本年度は、π接合量子回路及びモノリシック回路、低消費電力な制御回路の全ての研究項目について、数々の重要な進展が得られた。まずπ接合量子ビット・量子回路について、材料・プロセス面からの検討を進めていたが、従来よりも素子作製マージンや均一性の観点から優れたNbN/PdNi/NbN接合（本年度論文発表）をπ量子ビットに導入し、昨年度判明したCuNi接合のプロセス困難性を克服した結果、世界で初めて全窒化物型のπ量子ビットの動作実証に成功し、これまで報告されていたNb系π量子ビットに対し、250倍の改善となる約1マイクロ秒の量子寿命を達成した。素子作製のやや遅延のため、年度当初の目標だった2量子ビットゲート実証には至っていないものの、既にビット間結合を備え、量子アルゴリズムSimultaneous Quantum Messages Protocolsを実装した多量子ビット（4-20量子ビット）量子回路の作製が完了しており評価を進めている。また、制御回路用グラウンドプレーン層を有するモノリシックプロセスの構築を完了し、π量子ビットと制御回路をオンチップ実装したモノリシックチップを作製しπシフト動作実証まで成功した。構築したプロセスを用い、低消費電力な制御回路として、低臨界電流密度を有する量子ビット制御回路を開発し、希釈冷凍機内でのミリケルビン温度下での正常動作に成功、安定した信号出力を確認した。さらに、究極的な低消費電力性を示す半磁束量子（HFQ）回路についても、窒化物ベースHFQ回路において世界に先駆けて明瞭な半磁束量子動作を実証した他、NbN/AlN/PdNi/NbN構造π接合によるトグルフリップフロップ回路の作製も行い、正常な分周動作実証にも成功した。以上のように、最終年度における目的達成に向け重要となる各基盤技術について多数の研究成果が得られた。